САЩ разработват нов материал за квантови фотоволтаични клетки със среден процент на фотоволтаично поглъщане от 80 процента

Според съобщения в чуждестранни медии изследователите от университета Lehigh в Съединените щати (Lehigh University) в наскоро публикуван изследователски доклад твърдят, че са разработили нов тънкослоен абсорбиращ материал за фотоволтаични клетки, като се твърди, че средната степен на фотоволтаична абсорбция на този материал е 80%, неговата външна квантова ефективност (EQE) от 190%.

Външната квантова ефективност (EQE) е съотношението на броя на електроните, събрани от фотоволтаична клетка, към броя на падащите фотони. Той определя способността на фотоволтаичната клетка да преобразува фотоните в електрически ток. Чинеду Екума, един от водещите автори на изследването, каза в изявление: „В конвенционалните фотоволтаични клетки най-високата външна квантова ефективност (EQE е 100 процента, което представлява производството и събирането на един електрон за всеки фотон, абсорбиран от слънчева светлина ."

В статия, публикувана в списанието Science Advances, озаглавена „Химически настроени междинни лентови състояния на атомно дебели CuxGeSe/SnS квантови материали за фотоволтаични приложения“, изследователите обясняват, че новият квантов материал може да бъде идеално съвпадение за междинни лентови фотоволтаични клетки (IBSCs) .

Такива фотоволтаични клетки имат потенциала да надхвърлят границата на Shockley-Quayser (SQ limit) - максималната теоретична ефективност, която може да бъде постигната от фотоволтаична клетка с един pn преход. Изчислява се чрез изследване на количеството електрическа енергия, извлечена от всеки падащ фотон.

Изследователите обясняват: „Бързото увеличаване на ефективността на този материал до голяма степен се дължи на неговите уникални „междинни лентови състояния“, специфични енергийни нива, разположени в електронната структура на материала, които ги правят идеални за фотоволтаично преобразуване. Енергийните нива на тези състояния са в рамките на оптималната междина на поддиапазона - енергийният диапазон, в който материалът може ефективно да абсорбира слънчевата светлина и да генерира носители на заряд."

Новият материал е двуизмерен материал на ван дер Ваалс (vdW), което означава, че има кристална планарна структура, държана заедно от йонни връзки. Състои се от хетероструктура от германий (Ge), селен (Se) и калаен сулфид (Sns) с нулевалентни медни (Cu) атоми, вмъкнати в материалните слоеве.

Квантовият материал CuxGeSe/SnS има междинна забранена енергийна зона между 0.78 eV и 1.26 eV. Възползвайки се от това, изследователите проектираха и моделираха да симулират тънкослойна фотоволтаична клетка, използвайки материала като активен слой.

При това моделиране фотоволтаичната клетка използва субстрат от индий-калаен оксид (ITO), базиран на цинков оксид (ZnO) електронен транспортен слой (ETL), абсорбиращ слой CuxGeSe/SnS и златни (Au) контакти. Младшият изследовател отбеляза: "В нашия дизайн дебелините на атомно ниво на GeSe и SnS са подредени вертикално, допринасяйки за лесното интегриране на хибридната структура чрез взаимодействия на Ван дер Ваалс."

Резултатите от моделирането показват, че тази фотоволтаична клетка има външна квантова ефективност (EQE) от 110% ~ 190%. Изследователите също установиха, че оптичната активност на фотоволтаичната клетка се увеличава в диапазона на дължината на вълната от 600 nm до 1200 nm чрез измерване на дебелината на абсорбера.

В своята статия изследователите заключават: „Бързата реакция и повишената ефективност на този материал силно подсказват потенциала на вмъкнатия от мед GeSe/SnS като квантов материал за усъвършенствани фотоволтаични приложения, осигурявайки нов път за подобряване на ефективността на фотоволтаичното преобразуване. "

Гледайки напред, изследователите казват, че трябва да проведат нови изследвания, за да идентифицират практически начин за вграждане на този нов материал във фотоволтаичните клетки. Въпреки това, те също така посочват, че експерименталните техники, използвани за производството на тези материали, вече са много напреднали.